第二章 建筑环境学室外环境

第2章建筑外环境虽然我们的研究对象以室内环境为主，但由于室内环境，尤其是热湿环境受室外的影响非常大，所以有必要了解外环境。外环境是怎样影响室内环境的？为什么要了解外环境？建筑外环境知识框架地球运行基本知识建筑外环境太阳位置表示方法太阳辐射能与日照日照间距与日影计算室外气象参数城市气候中国气候环境设计中室外参数的选用地质环境水环境植被气温、湿度、风、降水等太阳辐射气候环境特征氡的形成过程地热经度纬度北纬南纬东经西经经线纬线★伦敦格林威治天文台180°0°0°90°北京时间地球每转1°需要4分钟公转轴（年/转）～1.53×108km～1.47×108

km

66º33’冬至:12月2290º(d=0º)春分:3月21

66º33’夏至:6月21

d=－23º27’

d=＋23º27’90º(d=0º)秋分：9月22NNNNSSSS自转轴（日/转）黄道面黄道面等分24段，每段15天，即为1个节气，全年有24个节气赤纬d北回归线南回归线2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.1地球运行的基本知识1、地球的公转与自转2、几个概念当地太阳时（真太阳时）：太阳在当地正南时为12点，地球自转一周又回到正南时为一天。地区标准时间：规定在一定经度范围内使用一种标准时间。如世界时间（本初子午线/格林威治天文台），北京时间（东京120º/东8时区）标准时所处经度120º当地经度

113º19’121º26’

当地太阳时11:33

12:06地区标准时12:00广州 上海两地时差2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.1地球运行的基本知识计算某时刻日照时应按标准时还是真太阳时？2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.1地球运行的基本知识2）赤纬的存在，使得地球白昼时间不同。式2－2表2－1式2－13、二十四节气的由来

1）地球绕太阳为一偏心率很小的椭圆轨迹运行，这一偏心椭圆引起的实际太阳时与理论计算的差值，对每一节气则用平均时差，对于每日采用e，实际太阳时可采用：地球上存在某一天终日见不到太阳的地方吗？纬度赤纬d时角h太阳高度角β太阳方位角A计算起点赤道面春秋分正午地平面正南方向性北/南纬≤|±2327’|≤|±180|≤90≤|±180|2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.2太阳位置的表示方法日出S日落N地平面正午时太阳高度角PN北天极AWE2327’太阳轨迹2327’冬至春秋分夏至天顶半天球地轴地平圈4、几个重要角度太阳位置计算式：太阳位置=f（地理位置、季节、时间、……）太阳高度角：太阳方位角：2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.2太阳位置的表示方法可用否？1、电磁波建筑环境工学FIG1-236000K黑体大气层外黑体373K（100℃）单色辐射力波长（m）323K（50℃）273K（0℃）单色辐射力地面纬度：30°可见光紫外线近红外线长波红外线0.38～0.76m7.0%45.6%45.2%2.2%此比例逐年上升紫外线2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照2、太阳常数与太阳辐射的电磁波太阳辐射能量比例（1）光谱划分及占总能量的含量波长不于0.38，为紫外线，占总能量的7%波长在0.38-0.76，可见光，占总能量的45.6%波长在0.76-3.0，近红外线，占45.2%2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照3、光谱划分建筑环境工学FIG1-236000K黑体大气层外黑体373K（100℃）单色辐射力波长（m）323K（50℃）273K（0℃）单色辐射力地面纬度：30°可见光紫外线近红外线长波红外线0.38～0.76m7.0%45.6%45.2%2.2%此比例逐年上升紫外线2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照3、辐射强度和太阳常数的概念辐射强度I：指1

m2黑体表面在太阳辐射下所获得的值。太阳常数IO：大气层外的辐射强度，是太阳与地球为年平均距离时，与太阳光线垂直的表面上的太阳辐射强度为1353W/m2。太阳常数与太阳辐射光谱之间的关系：

——太阳常数，W/m2——辐射波长，

——太阳辐射频谱强度，2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照1353W/m2～1025W/m2太阳总辐射的20亿分之一地球：大头针的针头篮球太阳常数I0：.垂直平面；.大气层外边界；.单位辐射能进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，辐射强度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。距离：篮球场的长度到达地面的太阳辐射大气层外边界到达地面：2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照4.太阳辐射的分布落到地球上的太阳辐射能量由三部分组成直射辐射：为可见光和近红外线散射辐射：被大气中的水蒸汽和云层散射，为可见光和近红外线大气长波辐射：大气（水蒸汽和CO2）吸收后再向地面辐射，为长波辐射。在日间比例很小，可以忽略。所谓太阳总辐射强度一般仅包括前两部分到达地面的太阳辐射部量=直接辐射+散射辐射2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照I0INI1βL’=L/sinβLI0正午和傍晚地面受照情况图5、受辐射路径距离的影响12.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照不同纬度水平面上太阳辐射时刻/h不同纬度受照情况5、辐射路径距离的影响2太阳辐射强度/Wm-22.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照太阳高度角即受太阳高度角的影响

进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，辐射强度有所改变，太阳高度角是重要影响因素。

2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照6、太阳辐射强度与朝向北纬40°的总辐射强度2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照太阳高度角冬夏不同关于太阳高度角

太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相关，从而影响日射强度，太阳高度角低则日射强度小；冬季太阳高度角低，夏季太阳高度角高；清晨和傍晚太阳高度角低，中午太阳高度角高；高纬度地区太阳高度角低，低纬度地区太阳高度角高。2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3太阳辐射能与日照1、大气对太阳直射辐射的削弱强度的影响因素在大气中射程的长短太阳的高度角海拔的高度大气透明度2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3大气层对太阳辐射的吸收在距大气层上边界x处与太阳光线垂直的表面上的太阳直射辐射照度Ix，每经dx距离的衰减梯度与本身直射辐射强度成正比。表示为：

dIx/dx=-kIx

从而：Ix=I0

exp(-kx)

k——比例常数，m-1；

x——太阳光线的行程，m；

Ix

——是离开大气层上部边界x处的法向表面太阳直射辐射照度，W/m2.2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3大气层对太阳辐射的吸收2、大气透明度P

定义：I1/I0=P=exp(-kL)，P＝1最透明变化范围：0.65~0.75，在一个月份的晴天中可近似认为是常数我国将大气透明度作了6个等级的分区，1级最透明东京晴天的大气透明度逐月值2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3大气层对太阳辐射的吸收我国的大气透明度分区6544332IN=I0Pmm=L’/L=1/sinL——在天顶时的路程L’——太阳高度角为时的路程。大大

为什么太阳高度角接近0º和90º时垂直面的日射量都小？2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3大气层对太阳辐射的吸收3、大气质量

m4、水平面上和垂直面上的直射强度计算水平面上的直射强度：

Is,z=Insin

垂直面上的直射强度:

Ic,z=Insin

cosaa——墙—太阳方位角。太阳辐射在水平面上的投影响与墙面法线的夹角。2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.3大气层对太阳辐射的吸收

紫外线杀菌，促进合成维生素D导致皮肤癌

可见光获得照明

红外线带来辐射热能

日照过少导致人体产生的褪黑色素增加，引起精神忧郁

2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.4日照的作用波长m紫外线的作用0.25-0.295杀菌作用显著0.29-0.32合成维生素D0.23-0.32过量时易患皮肤癌臭氧层及其破坏的主要原因：未破坏时：臭氧层主要吸收＜0.32m紫外线破坏时：CFCs、Cl原子等

臭氧浓度↓

反应消耗O3

红外线：0.77-4m范围的红外线（热效果强）是左右气温的主要原因。紫外线进入地球表面2.1.3太阳辐射能与日照紫外线与红外线的主要作用

避免日照：防止室内过热（炎热地区的夏季），避免眩光和防止化学作用的建筑（展览、阅读、药品管理）。争取日照：病房、幼儿活动室，住宅要求日照以得到良好的卫生条件，使房间冬季能得到太阳辐射以提高室温。2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.5日照间距1、日照的避免与保证2、日照保证

日照率：实际日照时数与可照时数与的之比。我国各地全年的日照率大小排序：西北、华北、东北为第一，华南及长江中下游居次，四川盆地、贵州东部和两湖盆地最少。——反映什么特性？

日照时间：太阳日出至太阳日落照射到建筑物窗口的时间，一般采用冬至日或大寒日日照时间作为设计条件。朝向设计一般住宅（每户至少有一间）大寒日2h幼儿园、疗养院、中小学、老年人居住建筑等冬至日2h

日照面积：与日照时间概念相同，但更接近于室内日照实际情况一般应满足：0.40m2/人。窗户面积的保证

哪个要求严？为什么？2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.4日照间距2、日照保证日影概念：终日日影、永久日影遮挡：互遮挡、自遮挡3、日影、遮挡和日照间距日照间距：计算日正午时前栋建筑的阴影。4、日照间距计算D0:H0：一般≥1:1.1与纬度及建筑等方位有关日照时间与日照面积均可通过上式计算。D0:H0上海北京长春深圳：23.5D0a'墙面法线AmSαabbb'aS后栋前栋D0Aα后栋前栋a'墙面法线mH0取决于β，A南北相邻间距垂直面日影计算：2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.5日照间距建筑日照设计：卫生要求冬季获取日照夏季避免日照日射得热日照日照时间日照面积遮阳计算建筑间距

室内日照设计计算方法日照间距防火间距采光间距交通间距……5、日照在建筑设计中的作用太阳能利用

建筑环境工程设计

2.1建筑环境中的太阳辐射

2.1.5日照间距2.2建筑外环境中的气候环境

2.2.1室外气象参数

自然微气候的形成大气压力空气温度、有效天空温度空气湿度风降水

城市气候中国气候分区1、气温（1）基本常识气温： 距1.5m高处的空气温度垂直递减率：平均为：0.6℃/100m逆温现象：

t(H2)>t(H1),H2>H1最冷月最热月月份1月、2月7月、8月年较差最热月平均气温－最冷月平均气温绝对湿度最小最大相对湿度最大（～5月）最小（～11月）海洋性气候相对湿度温度1214～150日较差湿球温度max(tmax)2.2建筑外环境中的气候环境

2.2.1室外气象参数（1）基本常识2.2.1室外气象参数温度1214～150任何室外温度变化都可以用多阶谐波的组合表示：

工程简化计算：夏季空调室外计算温度夏季室外计算日平均温度1、气温年较差与纬度的关系太阳辐射和气温变化30N年较差2.2.1室外气象参数纬度↑→年较差↑峰值延迟（2）日较差、年较差与峰值ATR:AnnualTemperatureRange1、气温武汉九月初一天的气象数据

一天中最高气温一般出现在下午2~3时，最低气温一般出现在凌晨4~5时1、气温2.2.1室外气象参数（2）日较差、年较差与峰值武汉某年的气象数据

一年中最热月一般在7、8月份，最冷月一般在1、2月份。1、气温2.2.1室外气象参数（2）日较差、年较差与峰值霜洞效应：洼地冷空气聚集造成气温低于地面上的空气温度2.2.1室外气象参数（3）外微气温1、气温1、气温2.2.1室外气象参数空气温度的局部效应受地面反射率、夜间辐射、气流、遮阳等影响，离建筑物越远，温度越低，相对湿度越高。（3）外微气温Td、Ta——地表温度、地面1.5～2.0m高处的气温；K。Pa ——空气中水蒸汽分压力；mbar。S

——日照率，与云量有关。有效天空温度Tsky其中之一的计算式：2.2.1室外气象参数（4）影响气温的主要因素*1、气温

来源水体蒸发植物蒸发影响因素地面性质水体分布季节阴晴

水蒸汽分压力冬季较低，夏季较高湿热地区：15~20mbar寒冷和沙漠地区：2mbar日变化较小，季节变化较大内陆地区夏季：上午9~10时和晚上9~10时最高，凌晨和午后最低沿海地区夏季和各地秋冬季：日变化与气温日变化一致（1）基本知识2.2.1室外气象参数2、湿度

相对湿度与气温变化反相

（2）日变化2.2.1室外气象参数2、湿度

年变化——

内陆和沿海地区差别较大（3）年变化广州北京年平均78%年平均56%2.2.1室外气象参数2、湿度大气压力随海拔高度而变在同一位置，冬季大气压力比夏季大气压力高，变化范围5％以内海平面大气压力称作标准大气压，为101325Pa或760mmHg北京太原拉萨昆明玛多兰州格尔木2.2.1室外气象参数3、大气压力

大气环流：造成全球各地差异赤道和两极温差造成地方风：造成局部差异，以一昼夜为周期地方性地貌条件不同造成，如海陆风、山谷风、庭院风、巷道风等季风：造成季节差异，以年为周期海陆间季节温差造成，冬季大陆吹向海洋，夏季海洋吹向大陆大气压差（1）风的成因4、风2.2.1室外气象参数赤道得到太阳辐射大于长波辐射散热，极地正相反。地表温度不同是大气环流的动因，风的流动促进了地球各地能量的平衡。（2）大气环流12.2.1室外气象参数4、风地球的自转把赤道上空向两极流动的气流变成西风自转东西（2.）大气环流24、风2.2.1室外气象参数放热蓄热低谷低谷（3）海陆风和山谷风风特性的两个要素：风向（16个方位）

风速类型：

1.季节变化主导风向；

2.主导风向；

3.双主导风向；

4.无主导风向；

5.准静止风（4）风玫瑰图1风玫瑰图：表现风向频率、风速频率。2.2.1室外气象参数4、风某地一年的风速频率分布

粗线：全年细实线：冬季，12~2月份虚线：夏季，6~8月份风向频率分布：实线：全年虚线：7月份2.2.1室外气象参数（4）风玫瑰图2北京4、风风级自由海面浪高(m)风速(m/s)(距地10m)风名风的目测标准一般最高0123456789101112－0.10.20.61.02.03.04.05.57.09.011.514.0－0.10.31.01.52.54.05.57.510.012.516.0－0～0.20.3～1.51.6～3.33.4～5.45.5～7.98.0～10.710.8～13.813.9～17.117.2～20.720.8～24.424.5～28.428.5～32.6＞32.7无风软风轻风微风和风劲风强风疾风大风烈风狂风暴风飓风缕烟直上，树叶不动缕烟一边斜，有风的感觉树叶沙沙作响，风感觉显著树叶几枝微动不息树叶、细枝动摇大枝摆动粗枝摇摆，电线呼呼作响树杆摇摆，大枝弯曲，迎风步艰大树摇摆，细枝折断大树折断，轻物移动拔树有重大损毁风后破坏严重，一片荒凉2.2.1室外气象参数（5）风速分级表——蒲福风力等级表4、风式中：Vh

──高度为h处的风速，m/s；

V0──基准高度为h0处的风速，m/s；一般取10m处风速；

n──指数，与周围环境有关。市区，n值取0.2～0.5；空旷或临海地区n值取0.14左右。不同高度风速不同，城市高层建筑设计时尤为重要。一般高度与风速的关系，可按以下经验公式估算：

气象台测风速高度？（6）高层建筑2.2.1室外气象参数4、风降水量：指降落到地面的雨、雪、冰雹等融化后，未经蒸发或渗透流失而积累在水平面上的水层厚度，以mm为单位。降水时间：指一次降水过程从开始到结束的持续时间，用h，min来表示。降水强度：指单位时间内的降水量。降水量的多少是用雨量筒和雨量计测定的。降水强度的等级，以24小时的总量（mm）来划分：小雨＜10；中雨10～25；大雨25～50；暴雨50～100。（1）降水的度量参数5、降水2.2.1室外气象参数我国降水量大体由东南向西北递减。因受季风的影响，雨量都集中在夏季，变化率很大，强度可观。年雨量变化也很大。北京最大年雨量近110cm，最小年雨量不足20cm。华南地区季风降水从5月到10月，长江流域6-9月，梅雨是长江流域夏初气候上的一个特殊现象，其特征是雨量缓而范围广，延续时间长，雨期20-25天左右。珠江口和台湾南部7、8月多暴雨，一般出现范围小，持续时间短。影响因素：

气温、地形、大气环流、海陆分布（2）降水的分布规律2.2.1室外气象参数5、降水我国降水分布：我国降水基本集中在夏季，长江流域在夏初有“梅雨”降雪集中在北纬35°以北。（3）降水的分布状况2.2.1室外气象参数5、降水地层表面温度取决于太阳辐射+地面对天空的长波辐射，可看作是周期性的温度波动。土壤温度在地面上，白天，因受太阳辐射，地表温度高于下层土壤，于是除部分热量与空气对流换热和部分消耗于蒸发外，其余传输下层；夜晚，地面因对天空长波辐射而冷却，地表低于土壤，下层热量上传，形成地层表面温度波动影响土壤温度。由于地层的蓄热作用，温度波在向地层深处传递时，造成温度波的衰减，以及时间的延迟。5、地层温度2.2.1室外气象参数地层表面的月平均温度波动幅度基本等于室外月平均气温波动的幅度：北京全年最大月平均温差30.8℃，北京地层表面温度全年的波幅为15.4℃温度波在向地层深处传递时，有衰减和延迟；1.5m后日变化被滤掉；一定深度后便成为恒温层，温度比全年气温平均温度高1～2℃。5、地层温度2.2.1室外气象参数

深度达到某一个部位，最热月时此处的温度反而低于该点的全年平均温度，而在最冷月时，该点的温度要高于全年平均温度。如果考虑地热的影响，深度每增加1米，地层平均温度一般就会增加1/30℃左右。但与当地地质条件有关。未考虑地热影响的2.2.1室外气象参数5、地层温度未考虑地热的影响，可以采用付立叶导热微分方程来求地层在周期温度作用下的温度场。假定地壳是一个半无限大的物体，有：

边界条件为过余温度℃

A是地层表面温度的波幅(℃)，Z是波动周期(小时)。2.2.1室外气象参数5、地层温度

城市微气候微气候指在建筑物周围的气温、温度、压力、阳光、辐射等。建筑物本身及其墙面会成为风障，以及在地面与共他建筑物上投下的阴影，均会改变该处日微气候。城市气候的含义在区域气候的背景上，由于城市化的影响下形成的一种特殊气候。2.2建筑外环境中的气候环境

2.2.2城市微气候城市气候的成因下垫面性质的改变城市的大气污染城市居民的生产和生活活动所排放的热量和水分城市气候的基本特征气温高，散射强空气干燥化通风不良云、雾、降雨增加城市风场与远郊在风向和风速均有不同，风向改变，平均风速低于远郊外;气温较高，形成热岛现象；城市云量多，大气透明度低，太阳总辐射照度比郊区弱。2.2建筑外环境中的气候环境

2.2.2城市微气候不同下垫面的地表面温度下垫面对气温的影响下垫面的影响是什么使得地表面温度产生这么明显的差异呢？2.2建筑外环境中的气候环境

2.2.2城市微气候不同下垫面的反射和吸收比砖石地面草地裸露的土地蒸发漫反射反射反射漫反射蒸发漫反射反射下垫面的影响2.2建筑外环境中的气候环境

2.2.2城市微气候1、城市风场下垫面粗糙度增加，城市的平均风速减少，边界层高度加大。大量建筑物的存在，气流遇到绕行，在方向和速度上与来流风有改变。城市风环境：影响城市的污染状况。在城市规划时考虑城市的主导风向。建筑群内的风场：影响热环境，如小区室外环境的热舒适性、夏季建筑通风、冬季建筑渗透风附加的采暖。2.2建筑外环境中的气候环境

2.2.2城市微气候湖泊森林农田住宅区停车场及商业区27.327.530.832.236.0（1）城市风场特点不同下垫面风速与地表温度（气温29-30℃时）2.2.2城市微气候1、城市风场此处易聚集垃圾

形成机理建筑物对来流风的阻碍和聚集作用小区内太阳辐射导致各表面存在温差而形成的自然对流不当风场的危害冬季造成热负荷增加高风速影响人员行动夏季自然通风不良建筑群内散发的气体污染物无法有效排除建筑群内出现旋风，易积聚废弃物（2）建筑群内风场2.2.2城市微气候1、城市风场

建筑的布局对小区风环境有重要的影响。北京，在北风来流7.6m/s时，局部1.5m高处出现10m/s的高风速，形成“风洞”。北1、城市风场2.2.2城市微气候（3）小区内风场北1、城市风场（3）小区内风场——风场的3-D图：1.5m高处

改变建筑布局，小区风环境有明显改善北1、城市风场（3）小区内风场

建筑布局风场模拟北北（3）小区内风场1、城市风场伦敦的城市热岛伦敦地区冬季月均热岛强度达到6.7℃（12F）2.2.2城市微气候2、城市热岛

（1）热岛强度热岛中心气温减去同时间同高度（距地1.5m高处）附件远郊的气温的差值。单位：℃2.2.2城市微气候2、城市热岛北京市的热岛：北京80年代初城市热岛强度为夏季1.5℃，冬季5℃。家用空调的普及和车辆的剧增必然导致近年夏季热岛强度增加。1983年1月26～27日1982年7月2、城市热岛2.2.2城市微气候2、城市热岛城市热岛强度北京某新建小区的热岛模拟S2区临马路，S3区绿化好，老区建筑布局不通风2.2.2城市微气候2、城市热岛北京某新建小区的热岛模拟2.2.2城市微气候2、城市热岛

自然条件市内风速、对天空长波辐射：建筑布局影响对天空角系数和风场云量：市区内云量大于郊区太阳辐射：市内大气透明度低下垫面的吸收和反射特性、蓄热特性：地面材料、植被、水体的设置人为影响：“人为热”交通、家用电器、炊事产热空调采暖产热2、城市热岛2.2.2城市微气候

（2）城市热岛的成因

城市热岛的成因：下垫面的影响